Первые эксперименты на новом европейском рентгеновском лазере показывают неизвестную структуру антибиотиков-убийц

Международное сотрудничество под руководством DESY получает первые научные результаты от европейского XFEL

Международное сотрудничество во главе с Deutsches Elektronen-Synchrotron ( ДЕЗИ ) и состоит из более чем 100 исследователей, в том числе трех Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса ( ЛЛНЛ Ученые объявили результаты первых научных экспериментов на новом европейском рентгеновском лазере, европейском XFEL.

Новаторская работа не только демонстрирует, что новая исследовательская установка может ускорить эксперименты более чем на порядок, но также выявляет ранее неизвестную структуру фермента, ответственного за устойчивость к антибиотикам.

«Инновационная работа первой команды, которая использовала европейский XFEL, проложила путь для всех пользователей объекта, которые получат огромную выгоду от этих новаторских экспериментов», - сказал управляющий директор Европейского XFEL Роберт Файденханс'л. «Мы очень довольны - эти результаты показывают, что установка работает даже лучше, чем мы ожидали, и готова предоставить новые научные открытия».

Ученые представляют свои результаты, в том числе первую новую структуру белка, решенную на европейском XFEL, в журнале Связи природы ,

«Находясь в совершенно новом классе объектов, нам пришлось справиться со многими проблемами, с которыми никто раньше не сталкивался», - сказал бывший исследователь LLNL Антон Барти, в настоящее время работающий в Центре свободных электронов (CFEL) в DESY, который возглавлял команду. около 125 исследователей участвовали в первых экспериментах, которые были открыты для научного сообщества. «Я сравниваю его с первым полетом нового самолета: все расчеты и сборка завершены, все говорят, что он будет работать, но только после того, как вы попробуете его, вы знаете, летит ли он на самом деле».

Первое «время луча» для экспериментов на европейском XFEL состоялось через две недели после открытия объекта в сентябре 2017 года и было открыто для всех ученых из сообщества, чтобы участвовать, вносить вклад, изучать и приобретать опыт в том, как проводить такие измерения. на этом объекте.

Команда ученых LLNL, включая Матиаса Фрэнка, Меган Шелби и Мэттью Коулмана, участвовала в семинаре в конце 2016 года в Европейском XFEL и в последующих обсуждениях помогла наметить первые эксперименты по биологической визуализации на новом объекте.

В этих взаимодействиях, в которых участвовали давние коллаборационисты LLNL из DESY и других учреждений, исследователи разработали и определили три предложения времени луча для трех ключевых экспериментов, связанных с биологической визуализацией, которые могли бы быть выполнены во время первого луча европейского XFEL.

Все три из этих предложений были награждены временем луча осенью 2017 года, и члены команды LLNL участвовали и помогли выполнить это время луча. Статья опубликована в Связи природы описывает настройку и результаты первого из этих времен луча.

«Было очень интересно быть частью первого в истории биологического изображения в Европейском XFEL и работать вместе с некоторыми нашими давними сотрудниками и бывшими коллегами из LLNL, которые сейчас работают в DESY / CFEL, включая Генри Чепмена и Антон Барти », - сказал Фрэнк, физик из Отдела биологических наук и биотехнологий (BBTD) и физики и естественных наук (PLS), занимающийся разработкой приборов и технологий для биологической защиты и биомедицины.

Интересно отметить, что в нашей команде было немало тех же людей, которые проводили первые эксперименты по биологической визуализации на когерентном источнике света Linac (LCLS), XFEL, здесь, в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, когда этот объект был открыт в 2009 году. В результате этой работы была опубликована статья « Nature» (Chapman, et al., Nature 2011), которая уже цитировалась более 1000 раз. Мы надеемся, что эта работа, опубликованная в Nature Communications, окажет аналогичное влияние в этой области ».

Меган Шелби, постдок в BBTD и PLS, чей опыт в рентгеновской спектроскопии и рентгеновских методах, отметил, что доступное время луча в XFEL очень ограничено по сравнению с более традиционными типами источников рентгеновского излучения.

«То, что у нас теперь есть доступ не только к целому новому объекту, но и к гораздо более быстрой скорости сбора данных, является большой новостью, особенно с закрытием LCLS в следующем году, чтобы начать строительство LCLS-II», - пояснил Шелби. «То, что выполнимость этих экспериментов с высокой частотой повторения доказана, открывает много интересных возможностей для нас и других ученых по всему миру».

Европейский XFEL предназначен для доставки рентгеновских вспышек каждые 220 наносекунд. Чтобы раскрыть трехмерную структуру биомолекулы, такой как фермент, используются импульсы для получения мгновенного рентгеновского облучения крошечных кристаллов или микрокристаллов, выращенных из этой биомолекулы.

Каждое воздействие на микрокристалл приводит к характерной дифракционной картине на детекторе, которая содержит закодированную информацию о структуре биомолекулы. Чтобы рассчитать трехмерную пространственную структуру биомолекулы по таким дифракционным картинам, многие из этих картин должны быть записаны из кристаллов в нескольких различных ориентациях. Однако каждый кристалл может быть подвергнут рентгеновскому излучению только один раз, поскольку он испаряется интенсивной вспышкой после того, как он производит дифракционную картину.

Таким образом, для создания полной трехмерной структуры биомолекулы, новый кристалл должен быть доставлен в луч как раз к следующей вспышке. Это достигается путем непрерывного распыления микрокристаллов, внедренных в струю воды через путь рентгеновского лазера, и, таким образом, непрерывного пополнения образца.

Никто до этого не пытался рентгеновские образцы с атомным разрешением с такой высокой скоростью. Наибольшая частота импульсов такого рентгеновского лазера до сих пор составляла 120 вспышек в секунду, то есть одна вспышка каждые 0,008 секунды. Чтобы исследовать биомолекулы на полной скорости, кристаллы должны пополняться не только достаточно быстро - струя воды также испаряется рентгеновскими лучами и должна вовремя восстанавливаться.

«Мы увеличили скорость струи воды, несущей образцы, до 100 метров в секунду, это примерно так же, как рекорд скорости в Формуле 1», - объяснил Макс Видорн, который позаботился о доставке образцов вместе со своим коллегой Домиником Обертюром. оба из CFEL. Специально разработанная форсунка обеспечивала стабильность высокоскоростной струи и ее соответствие требованиям.

Кроме того, никто никогда не создавал детектор для записи рентгенограмм с такой высокой скоростью. Международный консорциум под руководством ученого DESY Хайнца Граафсма спроектировал и изготовил одну из самых быстрых в мире рентгеновских камер, разработанную специально для европейского XFEL.

Интегрированный пиксельный детектор с адаптивным усилением (AGIPD) может не только записывать изображения с той скоростью, с которой поступают рентгеновские импульсы, но и настраивать чувствительность каждого пикселя в отдельности, максимально используя тонкие дифракционные картины, в которых информация об атомной структуре образца кодируется.

«Требования европейского XFEL настолько уникальны, что детектор должен был быть спроектирован полностью с нуля и адаптирован к этой задаче», - сказал Граафсма. «Этого можно достичь только благодаря всестороннему опыту и плодотворному сотрудничеству большой команды».

Ученые сначала определили структуру очень известного образца, фермента лизоцима из яичного белка, как пробный камень для проверки работоспособности системы, как и ожидалось. Действительно, структура, полученная в европейском XFEL, идеально соответствует известной структуре лизоцима, показывая детали с точностью до 0,18 нанометров (миллионных долей миллиметра).

«Это превосходное доказательство эффективности рентгеновского лазера», - сказал пионер XFEL и бывший ученый LLNL Генри Чепмен, ведущий исследователь в CFEL и профессор Гамбургского университета.

Бывший ученый Лоуренса Ливермора Генри Чепмен, который сейчас работает в Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Центре свободных электронов и Гамбургском университете, в европейском приборе XFEL, проверяет прибор SPB / SFX. Фото Ларса Берга / DESY

«Мы очень рады скорости анализа: эксперименты, которые раньше занимали часы, теперь могут быть выполнены за несколько минут, как мы показали. И используемую нами настройку можно еще больше оптимизировать, ускоряя сбор данных. Европейский XFEL предлагает хорошие перспективы для исследования нанокосма », добавил Чепмен.

Поразительные характеристики рентгеновского лазера также являются особым успехом подразделения ускорителей DESY, которое привело к созданию самого длинного и самого современного линейного ускорителя в мире, приводящего в действие европейский XFEL.

В качестве второй цели команда выбрала бактериальный фермент, который играет важную роль в устойчивости к антибиотикам. Молекула, обозначаемая β-лактамазой CTX-M-14, была выделена из бактерии Klebsiella pneumoniae , штаммы с множественной лекарственной устойчивостью вызывают серьезную обеспокоенность в больницах по всему миру.

Два года назад, по данным Центров по контролю и профилактике заболеваний (CDC), в США был обнаружен даже «устойчивый к пандрагентам» штамм Klebsiella pneumoniae , на который не влияли все 26 общедоступных антибиотиков.

Фермент бактерии CTX-M-14 β-лактамаза присутствует во всех штаммах. Он работает как молекулярная пара ножниц, разрезая лактамные кольца антибиотиков, полученных из пенициллина, что делает их бесполезными. Чтобы избежать этого, антибиотики часто вводят вместе с соединением, называемым авибактамом, которое блокирует молекулярные ножницы фермента. К сожалению, мутации меняют форму ножниц.

«Некоторые больничные штаммы Klebsiella pneumoniae уже способны расщеплять даже специально разработанные антибиотики третьего поколения», - пояснил Кристиан Бецель, соавтор статьи, а также профессор Гамбургского университета. «Если мы понимаем, как это происходит, это может помочь разработать антибиотики, которые помогут избежать этой проблемы».

Ученые исследовали комплекс β-лактамазы CTX-M-14 из нестойкой бактерии «дикого типа» с авибактамом, связанным с активным центром фермента, структура которого ранее не анализировалась.

«Результаты показывают с точностью до 0,17 нанометров, как авибактам вписывается в своего рода каньон на поверхности фермента, который отмечает его активный центр», - сказал Маркус Пербандт из Гамбургского университета, также соавтор статьи. «Этот специфический комплекс никогда не был замечен ранее, хотя структура двух отдельных компонентов была уже известна».

Измерения показывают, что можно записать высококачественную структурную информацию, что является первым шагом к записи моментальных снимков биохимической реакции между ферментами и их субстратами на разных этапах с европейским XFEL.

Вместе с исследовательской группой соавтора Martin Aepfelbacher и Holger Rohde, профессоров Университетской больницы UKE в Гамбурге, команда планирует использовать рентгеновский лазер в качестве пленочной камеры, чтобы собирать эти снимки в фильмы о молекулярной динамике авибактама. и эта β-лактамаза.

«Такие фильмы дадут нам решающее представление о биохимическом процессе, который однажды может помочь нам разработать более эффективные ингибиторы, снижающие устойчивость к антибиотикам», - сказал Бецел.

Фильмы о химических и биохимических реакциях являются лишь одним из примеров совершенно нового спектра научных экспериментов, проводимых европейским XFEL. Ключевым фактором является скорость, с которой данные могут быть собраны.

«Это открывает новые возможности для структурных открытий», - сказал европейский ученый XFEL Адриан Манкузо, возглавляющий инструмент SPB / SFX (Single Particles, Clusters and Biomolecules & Serial Femtosecond Crystallography), где были проведены новаторские эксперименты.

«Разница в скорости обнаружения, возможной с использованием европейского XFEL, продемонстрированного в этом эксперименте, столь же значительна, как и разница во времени в пути между возможностью поймать самолет через Атлантику, а не захватить корабль. Воздействие потенциально огромно ».

Европейский XFEL в районе Гамбурга - это новый международный исследовательский центр, открытый для исследовательских групп со всего мира. Центр Науки о Свободных Электронах (CFEL) - это сотрудничество Гамбургского университета, Общества Макса Планка и DESY. DESY является одним из ведущих мировых центров ускорителей частиц.

Похожие